Giải Sinh 10 Kết nối tri thức Bài 13: Khái quát về chuyển hóa vật chất và năng lượng

Mở đầu

Hoạt động vận động như ở các cầu thủ bóng đá trong hình bên cần tiêu tốn rất nhiều năng lượng. Vậy nguồn năng lượng đó đã được lấy từ đâu và chuyển đổi thành dạng nào để tế bào và cơ thể có thể sử dụng ngay khi cần thiết như vậy?

Trả lời:
- Mặc dù năng lượng bên trong tế bào tồn tại dưới nhiều dạng, nhưng dạng năng lượng chính được tích lũy và sử dụng cho các hoạt động sống của tế bào vẫn là hóa năng. Khi cơ thể hoạt động, nguồn năng lượng này sẽ chuyển hóa từ dạng này sang dạng mà cơ thể có thể sử dụng. Trong đó, loại guồn năng lượng sử dụng ngay khi cần thiết chính là phân tử ATP.

I. Khái quát về năng lượng và sự chuyển hóa

Câu hỏi 1 SGK Sinh 10 Kết nối tri thức (trang 80): Kể tên một số dạng năng lượng tồn tại trong tế bào sinh vật.
Trả lời:
- Động năng: là năng lượng làm vật khác di chuyển hay thay đổi trạng thái như nhiệt năng (ví dụ: nhiệt độ cơ thể), cơ năng (ví dụ: sự co cơ, vận động của các cơ quan), điện năng (ví dụ: xung thần kinh, chuỗi chuyền electron).
- Thế năng: là năng lượng tiềm ẩn do vị trí hoặc trạng thái của vật chất tạo ra như năng lượng trong các liên kết hóa học, sự chênh lệch về điện thế và nồng độ các chất giữa bên trong và bên ngoài tế bào.

Câu hỏi 2 SGK Sinh 10 Kết nối tri thức (trang 80): Đọc thông tin mục I.2 kết hợp quan sát hình 13.1, nêu cấu tạo và chức năng của ATP. Phân tử ATP mang năng lượng loại nào? Vì sao nói ATP là “đồng tiền” năng lượng của tế bào?

Trả lời:

- Cấu tạo:

+ Gồm 3 thành phần cơ bản: phân tử adenine, phân tử đường ribose và 3 gốc phosphate.

- Chức năng:

+ Dự trữ năng lượng trong các liên kết hóa học. 

- ATP là “đồng tiền” năng lượng của tế bào là gì năng lượng ATP liên tục được sinh ra và sử dụng ngay cho mọi hoạt động sống của tế bào (tổng hợp, vận chuyển chất, co cơ...).

Câu hỏi 3 SGK Sinh 10 Kết nối tri thức (trang 80): Thế nào là chuyển hóa năng lượng trong tế bào. Vì sao nói chuyển hóa vật chất luôn đi kèm với chuyển hóa năng lượng?
Trả lời:

- Chuyển hóa năng lượng trong tế bào là tập hợp tất cả các phản ứng hóa học xảy ra bên trong tế bào làm chuyển đổi chất này thành chất khác.

-  Chuyển hóa vật chất luôn đi kèm với chuyển hóa năng lượng vì các phản ứng hóa học trong cơ thể sống luôn ghi nhận sự biến đổi vật chất đi kèm sự biến đổi năng lượng. 

+ Ví dụ: Với phân tử ATP, khi trạng thái năng lượng thay đổi thì các thành phần trong cấu trúc của nó cũng biến đổi theo.

II. Enzyme

Câu hỏi 1 SGK Sinh 10 Kết nối tri thức (trang 83): Quan sát hình 13.2 và cho biết: Enzyme là gì? Nêu cấu trúc, cơ thể tác động và vai trò của enzyme trong quá trình chuyển hóa năng lượng.

Trả lời:

- Enzyme là chất xúc tác sinh học được tổng hợp trong các tế bào sống, có tác dụng làm tăng tốc độ phản ứng trong điều kiện sinh lí bình thường của cơ thể nhưng không bị biến đổi sau phản ứng.

- Cấu trúc:

+ Được cấu tạo từ protein.

+ Nhiều enzyme có thêm thành phần cofactor liên kết cố định hoặc tạm thời, rất cần thiết cho hoạt động xúc tác (ion kim loại như Fe²⁺, Mg²⁺, Cu²⁺), các phân tử hữu cơ (nhân heme, biotin, FAD, NAD, các vitamin).

- Cơ chế tác động:

+ Quá trình enzyme tác động tới cơ chất tạo thành sản phẩm là một chuỗi biến đổi liên tục được trải qua 3 giai đoạn:

* Enzyme kết hợp với cơ chất sự liên kết đặc hiệu, khi liên kết, cả hai biến đổi cấu hình để gắn chặt chẽ hơn.

* Enzyme xúc tác cho phản ứng biến đổi cơ chất: Cơ chất bị biến đổi để tạo thành sản phẩm dưới sự xúc tác của enzyme.

* Sau khi phản ứng xảy ra, sản phẩm tạo thành thay đổi cấu hình không gian và rời khỏi enzyme, enzyme trở lại hình dạng ban đầu.

• Vai trò của enzyme trong quá trình chuyển hóa năng lượng:
- Xúc tác phản ứng sinh hóa trong điều kiện nhiệt độ, áp suất, độ pH bình thường của tế bào và cơ thể.
- Làm giảm năng lượng hoạt hóa cần thiết cho các phản ứng xảy ra xuống mức độ thấp, nhờ đó làm tăng tốc độ phản ứng lên nhiều lần.
→ Nếu tế bào không có các enzyme thì không thể duy trì các hoạt động sống.
Câu hỏi 2 SGK Sinh 10 Kết nối tri thức (trang 83): Hoạt tính của enzyme chịu ảnh hưởng của những yếu tố nào và chúng có tác động như thế nào đến hoạt tính của enzyme?
Trả lời:

- Nồng độ enzyme và cơ chất:

+ Nếu đồng độ cơ chất không đổi lượng enzyme tăng lên nhưng sẽ đạt ngưỡng nhất định rồi dừng lại (do đã sử dụng tối đa lượng cơ chất).

+ Nếu lượng enzyme không đổi và tăng nồng độ cơ chất thì hiệu suất phản ứng tăng và cũng sẽ đạt ngưỡng (do lượng enzyme hiện có đã hoạt động tối đa).

- Độ PH:

+ Mỗi loại enzyme có một khoảng pH phù hợp nhất để hoạt động hiệu quả. Ngoài khoảng pH này, enzyme có thể bị giảm hoạt tính hoặc bất hoạt.

- Nhiệt độ:

+ Thông thường, mỗi loại enzyme chỉ hoạt động hiệu quả trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Ngoài khoảng đó, hoạt tính enzyme sẽ giảm, thậm chí mất hoàn toàn.

- Chất điều hòa enzyme:

+ Chất hoạt hóa: Làm tăng hoạt tính của enzyme.

+ Chất ức chế: Làm giảm hoặc mất hoạt tính của enzyme

Câu hỏi 3 SGK Sinh 10 Kết nối tri thức (trang 83): Tế bào có thể điều hòa quá trình chuyển hóa vật chất thông qua điều khiển hoạt tính của enzyme bằng những yếu tố nào? Giải thích.
Trả lời:
- Tế bào có thể điều hòa quá trình chuyển hóa vật chất thông qua điều khiển hoạt tính của enzyme bằng điều chỉnh hoạt tính của enzyme thông qua các chất hoạt hóa và ức chế enzyme. Nguyên do là bởi enzyme đóng vai trò quyết định tốc độ của các phản ứng hóa học trong tế bào, tức là làm tăng tốc độ quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng trong tế bào. Tốc độ của quá trình này bắt buộc phải thay đổi liên tục để phù hợp với từng giai đoạn tăng trưởng cũng như trạng thái cụ thể của cơ thể sống.

Câu hỏi 4 SGK Sinh 10 Kết nối tri thức (trang 83): Giải thích vì sao khi tăng nhiệt độ lên quá cao so với nhiệt độ tối ưu của một enzyme thì hoạt tính của enzyme bị giảm, thậm chí là mất hẳn hoạt tính.
Trả lời:

- Sức xúc tác của enzyme bị bị giảm, thậm chí là mất hẳn hoạt tính dưới nền nhiệt độ quá cao vì enzyme có bản chất nền tảng là protein - một hợp chất rất dễ bị biến đổi cấu trúc không gian (biến tính) khi gặp nhiệt độ cao. Khi cấu trúc không gian bị biến đổi, vùng trung tâm hoạt động sẽ không thể gắn kết với cơ chất, khiến hoạt tính của enzyme bị giảm, thậm chí là mất hẳn hoạt tính.

Luyện tập và Vận dụng

Bài tập 1 SGK Sinh 10 Kết nối tri thức (trang 84): Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về phân tử ATP?
A. Phân tử ATP có cấu tạo từ ba thành phần cơ bản: adenine, đường deoxyribose và muối phosphate
B. Trong phân tử ATP, các gốc phosphate liên kết rất chặt chẽ với nhau bằng liên kết cộng hóa trị
C. Mỗi phân tử ATP có ba gốc phosphate liên kết với nhau tạo nên ba liên kết cao năng
D. ATP liên tục được tổng hợp, vận chuyển và sử dụng trong tế bào sống.
Lời giải:
Chọn đáp án D.
- Đáp án A sai: Các phần tử cấu tạo nên một phân tử ATP bao gồm 3 gốc phosphate, đường ribose (không phải đường deoxyribose) và adenine.

 Đáp án B sai: Liên kết giúp nối các gốc phosphate với nhau một cách chặt chẽ là liên kết anhydric (không phải liên kết cộng hóa trị).

- Đáp án C sai: Trong cấu trúc của mỗi phân tử ATP, 3 gốc phosphate liên kết với nhau tạo ra hai liên kết cao năng (không phải ba).

Bài tập 2 SGK Sinh 10 Kết nối tri thức (trang 84): Phân tích sự phù hợp giữa cấu tạo và chức năng của phân tử ATP
Lời giải:
- Cấu trúc của ATP bao gồm 3 nhóm phosphate, đường ribose và adenine. Hợp chất này được coi là một phân tử cao năng do liên kết giữa hai nhóm phosphate cuối cùng trong ATP rất dễ bị phá vỡ để giải phóng ra năng lượng.

- Phân tử ADP (adenosine diphosphate) hầu như sẽ được tái tổng hợp lập tức thành ATP bằng cách gắn thêm một gốc phosphate,  cơ chế này giúp ATP truyền năng lượng cho các hợp chất khác thông qua việc chuyển giao gốc phosphate ở vị trí ngoài cùng.

Bài tập 3 SGK Sinh 10 Kết nối tri thức (trang 84): Tế bào nhân thực được chia thành nhiều xoang tách biệt bởi hệ thống nội màng và các bào quan có màng bao bọc, điều này có ý nghĩa gì trong hoạt động của enzyme và quá trình chuyển hóa năng lượng trong tế bào? Giải thích.
Lời giải:
- Hoạt động của enzyme và quá trình chuyển hóa năng lượng trong tế bào có tổ chức rõ ràng
Bài tập 4 SGK Sinh 10 Kết nối tri thức (trang 84): Dựa vào thành phần cấu tạo và cơ chế điều hòa quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng của enzyme, hãy giải thích vì sao trong trồng trọt và chăn nuôi, muốn thu được năng suất cao, con người phải chú ý bổ sung đầy đủ các nguyên tố khoáng vi lượng, vitamin vào chế độ dinh dưỡng cho cây trồng và vật nuôi.
Lời giải:

- Năng suất của cây trồng vật nuôi phụ thuộc rất lớn vào tốc độ của quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng trong tế bào (quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng diễn ra tốt sẽ thúc đẩy sinh vật sinh trưởng và phát triển và ngược lại). Tốc độ của quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng trong tế bào lại phụ thuộc vào hoạt tính của enzyme.